CN107972781B - 基于无线传输两轮自平衡侦察小车及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无线传输两轮自平衡侦察小车及控制方法，在闭合时类球及在弹开时类哑铃这种机械设计结构和两轮自平衡侦察车的控制系统，关于侦察小车类球、类哑铃结构变化主要是通过手动让其闭合，手机遥控让其弹开。而侦察车控制涉及到两方面的控制，其一：侦察小车自平衡的控制，主要保证安装在小车上的摄像机的视场方向不变；其二：该侦察车运动状态的控制，主要是通过手机发出运动命令，侦察车在接收到命令后，做出相应运动姿态改变。搭载在侦察小车上的摄像机将前端拍摄的视频通过无线的方式实时传回给后端的手机。本发明其不仅结构能灵活、密封性好，而且其运动状态也能灵活的变化，来完成人无法身入狭小空间的侦察工作。

Description

基于无线传输两轮自平衡侦察小车及控制方法

技术领域

本发明涉及侦察设备领域，尤其涉及一种基于无线传输两轮自平衡侦察小车，适用于通过手机遥控在狭小空间侦察。

背景技术

最早由日本山藤一雄发明了类似的两轮平衡装置，并于2002年至2003年相续被美国公司用于ibot轮椅技术和segwag两轮平衡车上；当两轮车往大的方向发展，就可以做成代步的交通工具，当往小的方向发展，就可以做成侦察小车，用于狭小空间侦察的侦察小车。

现有技术中的侦察小车已经在例如专利文献CN201520341159.X中公开，该侦察小车两只轮子左右排布、尾部加装辅助轮子、车身内置路由器，其结构庞大，适合宽敞空间侦察；专利文献 CN201630401002.1中公开的两轮小车，作为一种玩具车，很难实现侦察小车的功能。

目前，出现用于研究各种控制方法理想平台的两轮自平衡小车均以两轮呈左右排布，小车的控制板、电源模块、驱动部件都裸露在外面，其布局模式，无法适合在雨雪天气工作；而且现有的两轮侦察车的车身高，当小车被障碍物撞到后，很难凭借小车平衡算法直立起来；也不适合狭小空间的侦察工作。

发明内容

本发明目的在于提供基于无线传输两轮自平衡侦察小车及控制方法，此侦察小车密封性能好，能够适应于恶劣环境，而且此侦察小车采用滚动的机身结构，在侦察车未弹开之前，呈球形结构，弹开之后呈C型轮胎结构，任何时候，侦察小车都始终处于站立状态。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：基于无线传输两轮自平衡侦察小车，它包括支架，所述支架底部对称固定安装有两个减速电机；在支架内部腔体安装有电池；两个所述减速电机的输出轴各自穿过固定在支架两侧的支架端盖，并分别与减速组件相连提供动力，两个所述减速组件的主输出轴各自穿过轴承，所述轴承的外圈套装有轴承套。

优选的方案，两个所述轴承套的外部分别安装有既能弹开又能闭合的轮子机构；所述轮子机构与减速组件相连，并驱动其转动，提供行走动力。

优选的方案，主控制板固定安装在支架上。

优选的方案，摄像机图传模块电路板通过摄像机图传支架固定在支架上；所述摄像机图传支架上安装有摄像机。

优选的方案，两个所述轴承套之间通过螺纹配合将支架、支架端盖及固定于支架上的组件罩住，形成中心轴，作为整个侦察小车的中心。

优选的方案，所述轮子机构包括轮毂，所述轮毂套装在轴承套的外部，并通过固定螺钉与主输出轴固定相连，并传动扭矩；所述轮毂的外部套装有连接件，所述轮毂外缘上均布加工有定位孔，所述定位孔内部穿过有导杆，所述导杆的另一端通过弹簧置于连接件的腔体内，所述连接件的外部安装有滑动轮，所述滑动轮的外部套装有C形轮，两个所述滑动轮的相配合端面安装有阻挡环，所述阻挡环上固定安装有对称布置的旋转扣；用力压缩连接件，通过左右两边的旋转扣能够将整个侦察小车闭合成一个类球结构。

优选的方案，所述减速组件包括小齿轮，所述小齿轮通过键配合安装在减速电机的输出轴上，所述小齿轮与大齿轮相啮合，并构成齿轮传动配合，所述大齿轮安装在主输出轴上，并传动扭矩；两个所述轴承套分别与两个支架端盖相配合，并将减速组件封装在其形成的腔体内。

优选的方案，所述轴承的外圈与轴承套构成过盈配合。

优选的方案，所述电池通过电池盖板封装固定在支架的腔体内；两个所述支架端盖之间通过螺栓固定安装有开关座。

优选的方案，所述轴承套的外缘上安装有导向键，所述导向键与滑动轮内壁上的导向槽构成滑动配合。

优选的方案，还包括控制系统，所述控制系统包括主控制器、电源管理模块、电机驱动模块、姿态检测传感器和无线控制模块于一体的主控制板；带编码器的减速电机和电机驱动模块；带有图传模块的摄像机图传模块电路板；所述图传模块通过无线通讯方式与手机相连；所述电源管理模块为整个控制系统提供电能；所述主控制器上连接有光感模块和红外灯。

优选的方案，所述手机和图传模块之间通过WiFi Direct无线通讯方式，手机实时接收前端的摄像机拍摄的视频；

所述图传模块与主控制器之间通过usart方式通信；

所述姿态检测传感器与主控制器之间通过i2c方式通信，所述姿态检测传感器安装在主控制板上。

优选的方案，所述减速电机包括左减速电机和右减速电机，所述左减速电机和右减速电机同时与电机驱动模块相连，并控制整个侦察小车的前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止动作。

所述基于无线传输两轮自平衡侦察小车的控制方法，搭载在主控制板上的姿态检测传感器时时检测侦察小车的倾角，并将倾角反馈给主控制器，主控制器判断后发出控制信号给电机驱动模块，通过电机驱动模块控制左减速电机和右减速电机，并带动两个C形轮运动，使车身保持直立；

编写图传模块的控制程序APP并安装在手机上，通过手机发出控制信号，安装在图传模块上的信号接收器接收到信号后，将接收信号传给主控制器，主控制器控制电机驱动模块，使侦察小车做出相应的前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止动作；

手机和图传模块通过WiFi Direct无线通讯方式相连，实时接收前端的摄像机拍摄的视频。

本发明有如下有益效果：

1、本发明的两轮自平衡侦察车在闭合时类球在弹开时类哑铃，这种机械结构保证了侦察小车在投掷之前成类球的结构，进而通过其外部的C形轮对其内部元件进行有效的保护，当其落地之后，通过控制减速电机和弹簧机构使其弹开，形成侦察小车结构，进而方便其实现侦察作业。

2、本发明的侦察车可以通过无线控制的方式与手机客户端相连，进而通过手机客户端方便的对其进行远程控制。

3、通过采用本发明的控制系统和控制方法，能够实现侦察小车两方面的控制，其一：侦察小车自平衡的控制，能够保证安装在侦察小车上的摄像机的视场方向不变，即不会因为小车运行过程中的晃动，而造成摄像机视角的改变，使摄像机始终处于动态的平衡状态，进而保证其摄像机的摄像效果；其二：该侦察车运动状态的控制，主要是通过手机发出运动命令，例如：前进、后退、左转、右转，侦察车在接收到命令后，做出相应运动姿态改变。

4、通过所述的图传模块与手机之间通过无线传输方式相连，能够将摄像机拍摄到的前端视频通过无线的方式实时传回给后端的手机。

5、本发明其不仅结构能灵活、密封性好，而且其运动状态也能灵活的变化，来完成人无法身入狭小空间的侦察工作。

6、通过所述的轴承套将支架、电池、电池盖板、摄像机、支架端盖、主控制板、摄像机图传模块电路板和开关座封装在其内部，进而对其进行保护，从而使其能够适应比较恶劣的使用环境。

7、通过所述的弹簧、导向杆、滑动轮和连接件之间的配合能够将整个侦察小车合拢，并通过手动的方式将其锁紧。

8、通过两个轴承套之间的螺纹配合，锁紧在一起，在轴承套上只需要做些摄像头、光线传感器、调试端口、电源端口的小孔，对于这样一个棒状核心组件，它的防水处理很容易实现，进而起到防水的目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的整体爆炸结构示意图。

图2是本发明侦察小车本体张开之后的结构示意图。

图3是本发明侦察小车本体张开之后的主视图。

图4是本发明侦察小车本体张开之后图3中的A-A截面图。

图5是本发明侦察小车本体张开之后的左视图。

图6是本发明侦察小车本体张开之后图5中的B-B截面图。

图7是本发明侦察小车C形轮立体图。

图8是本发明侦察小车滑动轮立体图。

图9是本发明侦察小车连接件立体图。

图10是本发明侦察小车轮毂立体图。

图11是本发明侦察小车轴承套立体图。

图12是本发明侦察小车拆除部分部件之后的内部结构示意图。

图13是本发明侦察小车控制系统图。

图中：C形轮1、连接件2、轮毂3、轴承套4、滑动轮5、阻挡环6、导杆7、支架端盖8、主控制板9、摄像机图传模块电路板10、开关座11、摄像机图传支架12、支架13、电池14、电池盖板15、摄像机16、旋转扣17、减速电机18、小齿轮19、大齿轮20、导向键21、主输出轴22、轴承23；

主控制器24、光感模块25、红外灯26、电机驱动模块27、姿态检测传感器28、电源管理模块29、图传模块30、手机31、图传模块30、手机31、左减速电机32、右减速电机33。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

如图1-13所示，基于无线传输两轮自平衡侦察小车，它包括支架13，所述支架13底部对称固定安装有两个减速电机18；在支架13内部腔体安装有电池14；两个所述减速电机18的输出轴各自穿过固定在支架13两侧的支架端盖8，并分别与减速组件相连提供动力，两个所述减速组件的主输出轴22各自穿过轴承23，所述轴承23的外圈套装有轴承套4。其中所述的减速电机18采用带编码器的直流减速电机，进而方便后续通过电机控制模块对其分别进行控制，进而保证小车的平衡。

进一步的，两个所述轴承套4的外部分别安装有既能弹开又能闭合的轮子机构；所述轮子机构与减速组件相连，并驱动其转动，提供行走动力。

进一步的，主控制板9固定安装在支架13上。其中在主控制板9上安装有各种控制模块。

进一步的，摄像机图传模块电路板10通过摄像机图传支架12固定在支架13上；所述摄像机图传支架12上安装有摄像机16。通过所述的摄像机16能够在侦察过程中进行摄像，同时将拍摄的画面传输到手机客户端。

进一步的，两个所述轴承套4之间通过螺纹配合将支架13、支架端盖8及固定于支架13上的组件罩住，形成中心轴，作为整个侦察小车的中心。其中所述轴承套4加工有用于安装摄像头、光线传感器、调试端口、电源端口的小孔，而且能够起到很好的防水效果。

进一步的，所述轮子机构包括轮毂3，所述轮毂3套装在轴承套4的外部，并通过固定螺钉与主输出轴22固定相连，并传动扭矩；所述轮毂3的外部套装有连接件2，所述轮毂3外缘上均布加工有定位孔，所述定位孔内部穿过有导杆7，所述导杆7的另一端通过弹簧置于连接件2的腔体内，所述连接件2的外部安装有滑动轮5，所述滑动轮5的外部套装有C形轮1，两个所述滑动轮5的相配合端面安装有阻挡环6，所述阻挡环6上固定安装有对称布置的旋转扣17；用力压缩连接件2，通过左右两边的旋转扣17能够将整个侦察小车闭合成一个类球结构。通过采用上述的轮子机构，工作过程中，通过轮毂3能够带动连接件2，通过连接件2带动滑动轮5，再由滑动轮5带动C形轮1转动，进而驱动整个侦察小车运动。而且通过所述的弹簧和导杆7之间的配合能够将C形轮1合拢，进而保证其不用时处于收拢状态，在使用时能够自动张开。

进一步的，所述减速组件包括小齿轮19，所述小齿轮19通过键配合安装在减速电机18的输出轴上，所述小齿轮19与大齿轮20相啮合，并构成齿轮传动配合，所述大齿轮20安装在主输出轴22上，并传动扭矩；两个所述轴承套4分别与两个支架端盖8相配合，并将减速组件封装在其形成的腔体内。工作过程中，通过减速电机18带动小齿轮19再由小齿轮19带动大齿轮20，通过大齿轮20驱动主输出轴22，进而提供动力和扭矩。

进一步的，所述轴承23的外圈与轴承套4构成过盈配合。

进一步的，所述电池14通过电池盖板15封装固定在支架13的腔体内；两个所述支架端盖8之间通过螺栓固定安装有开关座11。通过电池盖板15能够电池进行固定。

进一步的，所述轴承套4的外缘上安装有导向键21，所述导向键21与滑动轮5内壁上的导向槽构成滑动配合。通过导向键21保证了滑动轮5沿着导向槽滑动。

进一步的，还包括控制系统，所述控制系统包括主控制器24、电源管理模块29、电机驱动模块27、姿态检测传感器28和无线控制模块于一体的主控制板9；带编码器的减速电机18和电机驱动模块27；带有图传模块30的摄像机图传模块电路板10；所述图传模块30通过无线通讯方式与手机31相连；所述电源管理模块29为整个控制系统提供电能；所述主控制器24上连接有光感模块25和红外灯26。

进一步的，所述手机31和图传模块30之间通过WiFi Direct无线通讯方式，手机31实时接收前端的摄像机拍摄的视频；进而看到侦察画面。起到侦察目的。

进一步的，所述图传模块30与主控制器24之间通过usart方式通信；图传模块30接到手机发出的控制命令后，通过串口将命令传给主控板，主控板对命令进行解析，控制电机驱动模块让其带动小车运动。

进一步的，所述姿态检测传感器28与主控制器24之间通过i2c方式通信，所述姿态检测传感器28安装在主控制板9上。其中所述姿态检测传感器28包括加速度传感器和陀螺仪于一体。能够时时将小车的运行姿态传递给主控制器24。

进一步的，所述减速电机18包括左减速电机32和右减速电机33，所述左减速电机32和右减速电机33同时与电机驱动模块27相连，并控制整个侦察小车的前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止动作。

进一步的，所述基于无线传输两轮自平衡侦察小车的控制方法，搭载在主控制板9上的姿态检测传感器28时时检测侦察小车的倾角，并将倾角反馈给主控制器24，主控制器24判断后发出控制信号给电机驱动模块27，通过电机驱动模块27控制左减速电机32和右减速电机33，并带动两个C形轮1运动，使车身保持直立；

进一步的，编写图传模块30的控制程序APP并安装在手机31上，通过手机31发出控制信号，安装在图传模块30上的信号接收器接收到信号后，将接收信号传给主控制器24，主控制器24控制电机驱动模块27，使侦察小车做出相应的前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止动作；

进一步的，手机31和图传模块30通过WiFi Direct无线通讯方式相连，实时接收前端的摄像机拍摄的视频。

优选的，所述电池14采用可充电镍氢电池其容量为1300mh。

优选的，所述图传模块30与手机31之间的通讯为方式为WiFi Direct，而与主控制器24之间通信为串口通信。

优选的，所述电机驱动模块27为L298P。

优选的，所述主控制板上搭载了电源管理模块，电机驱动模块，姿态检测传感器mpu6050，光感模块和红外灯等电路。

优选的，所述主控制器采用单片机微控制器stm32f103。

优选的，图传模块为720p无线高清wifi视频模块。

本发明的工作过程和工作原理：

侦察小车在上电前后，两个C形轮1咬合在一起，形成一个类球的侦察球被扔出去，然后通过上位机手机发出控制命令，侦察球收到命令后，左右两只C形轮1一只正转，另一只反转，将侦察球打开，而打开后类似于哑铃状侦察小车。

当类哑铃状的侦察小车在行走时，为了防止轴承套4跟随C形轮1一起转动而影响侦察车摄像头的视场，因此在主控制板9上安装了姿态检测传感器28及选择了带编码器的减速电机18，保证小车在运动的过程中一直保持直立的姿态。保持直立姿态的控制原理两轮直立自平衡车的运作原理，是建立在一种被称为“动态稳定”的基本原理上也就是车辆本身的自动平衡能力即利用传感器检测车体状态反馈数据给主控制器， 再由主控制器根据算法给出对车体状态的运动指令然后由电机驱动模块驱动电机保持车体直立。

在本发明中，对侦察小车的控制也是一大亮点。为保证侦察车在前进、后退、转向过程中一直保持直立的状态，即相机的视场不变，将小车的直立运动拆分成三个基本部分分别进行控制：①控制侦察车平衡，②控制侦察车速度，③控制侦察车方向；然而对小车运动中保持直立，上述的三种控制状态并非独立的，而是融合在一起。集陀螺仪和加速度计于一体的姿态检测传感器mpu6050来采集车体的姿态信息；主控制器24在获得姿态信息后对姿态数据进行卡尔曼滤波，得到侦察车的轴承套的中心倾斜的角度及倾斜时候的角加速度，利用PD算法计算出静态平衡时候的控制量，即PWM的占空比，来对电机的控制。其次对侦察车速度的控制，其实通过转换为调节侦察车倾角来实现的。关于侦察车的转向控制是通过控制两个减速电机差速来实现的。总的来说，小车的运动是基于PID算法闭环控制。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：它包括支架（13），所述支架（13）底部对称固定安装有两个减速电机（18）；在支架（13）内部腔体安装有电池（14）；两个所述减速电机（18）的输出轴各自穿过固定在支架（13）两侧的支架端盖（8），并分别与减速组件相连提供动力，两个所述减速组件的主输出轴（22）各自穿过轴承（23），所述轴承（23）的外圈套装有轴承套（4）；

两个所述轴承套（4）的外部分别安装有既能弹开又能闭合的轮子机构；所述轮子机构与减速组件相连，并驱动其转动，提供行走动力；

主控制板（9）固定安装在支架（13）上；

摄像机图传模块电路板（10）通过摄像机图传支架（12）固定在支架（13）上；所述摄像机图传支架（12）上安装有摄像机（16）；

两个所述轴承套（4）之间通过螺纹配合将支架（13）、支架端盖（8）及固定于支架（13）上的组件罩住，形成中心轴，作为整个侦察小车的中心；

所述轮子机构包括轮毂（3），所述轮毂（3）套装在轴承套（4）的外部，并通过固定螺钉与主输出轴（22）固定相连，并传动扭矩；所述轮毂（3）的外部套装有连接件（2），所述轮毂（3）外缘上均布加工有定位孔，所述定位孔内部穿过有导杆（7），所述导杆（7）的另一端通过弹簧置于连接件（2）的腔体内，所述连接件（2）的外部安装有滑动轮（5），所述滑动轮（5）的外部套装有C形轮（1），两个所述滑动轮（5）的相配合端面安装有阻挡环（6），所述阻挡环（6）上固定安装有对称布置的旋转扣（17）；用力压缩连接件（2），通过左右两边的旋转扣（17）能够将整个侦察小车闭合成一个类球结构；

所述减速组件包括小齿轮（19），所述小齿轮（19）通过键配合安装在减速电机（18）的输出轴上，所述小齿轮（19）与大齿轮（20）相啮合，并构成齿轮传动配合，所述大齿轮（20）安装在主输出轴（22）上，并传动扭矩；两个所述轴承套（4）分别与两个支架端盖（8）相配合，并将减速组件封装在其形成的腔体内。

2.根据权利要求1所述的基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：所述轴承（23）的外圈与轴承套（4）构成过盈配合。

3.根据权利要求1所述的基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：所述电池（14）通过电池盖板（15）封装固定在支架（13）的腔体内；两个所述支架端盖（8）之间通过螺栓固定安装有开关座（11）。

4.根据权利要求1所述的基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：所述轴承套（4）的外缘上安装有导向键（21），所述导向键（21）与滑动轮（5）内壁上的导向槽构成滑动配合。

5.根据权利要求1所述的基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括主控制器（24）、电源管理模块（29）、电机驱动模块（27）、姿态检测传感器（28）和无线控制模块于一体的主控制板（9）；带编码器的减速电机（18）和电机驱动模块（27）；带有图传模块（30）的摄像机图传模块电路板（10）；所述图传模块（30）通过无线通讯方式与手机（31）相连；所述电源管理模块（29）为整个控制系统提供电能；所述主控制器（24）上连接有光感模块（25）和红外灯（26）。

6.根据权利要求5所述的基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：所述手机（31）和图传模块（30）之间通过WiFi Direct无线通讯方式，手机（31）实时接收前端的摄像机拍摄的视频；

所述图传模块（30）与主控制器（24）之间通过usart方式通信；

所述姿态检测传感器（28）与主控制器（24）之间通过i2c方式通信，所述姿态检测传感器（28）安装在主控制板（9）上。

7.根据权利要求5所述的基于无线传输两轮自平衡侦察小车，其特征在于：所述减速电机（18）包括左减速电机（32）和右减速电机（33），所述左减速电机（32）和右减速电机（33）同时与电机驱动模块（27）相连，并控制整个侦察小车的前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止动作。

8.权利要求1-7任意一项所述基于无线传输两轮自平衡侦察小车的控制方法，其特征在于，搭载在主控制板（9）上的姿态检测传感器（28）时时检测侦察小车的倾角，并将倾角反馈给主控制器（24），主控制器（24）判断后发出控制信号给电机驱动模块（27），通过电机驱动模块（27）控制左减速电机（32）和右减速电机（33），并带动两个C形轮（1）运动，使车身保持直立；

编写图传模块（30）的控制程序APP并安装在手机（31）上，通过手机（31）发出控制信号，安装在图传模块（30）上的信号接收器接收到信号后，将接收信号传给主控制器（24），主控制器（24）控制电机驱动模块（27），使侦察小车做出相应的前进、后退、左转、右转、加速、减速和停止动作；

手机（31）和图传模块（30）通过WiFi Direct无线通讯方式相连，实时接收前端的摄像机拍摄的视频。

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